潤濕性對AgSnO2TiO2觸頭材料性能的影響

王海濤，文攀龍，梁 磊，朱艷彩，王幸偉

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潤濕性對AgSnO2TiO2觸頭材料性能的影響

王海濤，文攀龍，梁 磊，朱艷彩，王幸偉

（河北工業大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

選取TiO2作為AgSnO2觸頭材料的添加劑，采用粉末冶金法制備了七種不同配比的AgSnO2觸頭材料，測量其潤濕性及電導率、硬度、接觸電阻等性能。結果表明，TiO2對AgSnO2觸頭材料潤濕性的改善效果明顯，且隨著TiO2含量的增加，AgSnO2觸頭材料的潤濕角呈現出先增大后減小的變化規律。當潤濕角較小時，電導率較大，硬度也較大。接觸電阻的變化趨勢與潤濕性的變化規律基本吻合；然而燃弧能量變化并不明顯。

TiO2；AgSnO2觸頭材料；潤濕性；電導率；硬度；接觸電阻

AgSnO2材料是近年來發展較快的一種無毒環保新型觸頭材料。與傳統的觸頭材料AgCdO相比，AgSnO2觸頭材料具有更優良的耐電弧侵蝕性、耐熔焊性和抗磨損性，但是AgSnO2觸頭材料自身存在一定的缺陷：一是接觸電阻偏大，溫升過高，嚴重影響電氣性能；二是材料的塑性和延展性都較差[1-5]。查其原因，主要是因為AgSnO2觸頭材料在使用過程中，由于材料中的SnO2顆粒沒有被熔融Ag很好地潤濕，SnO2顆粒在受到電弧的多次作用時會從液態Ag中析出，然后富集在材料表面形成絕緣層，致使接觸電阻急劇上升，溫升也相應增大。同時Ag與SnO2之間潤濕性差也導致AgSnO2的界面結合力不足，使得材料的塑性和延展性較差，加工成型也變得異常困難[6-8]。通過向AgSnO2中加入適量的添加劑可以改變SnO2與熔融銀的表面張力特征，進而改善Ag對SnO2的潤濕性，使氧化物粒子懸浮在銀的熔融體中，減輕SnO2顆粒在接觸面表層聚集的程度，達到改善其性能的目的[9-13]。

目前有關觸頭材料摻雜和制備方法的研究報道比較多[14-15]，而從潤濕性的角度分析觸頭材料性能的研究還少有報道。本文選取TiO2作為AgSnO2觸頭材料的添加劑，采用座滴法測量加入TiO2的AgSnO2觸頭材料的潤濕性，即測量TiO2與SnO2不同配比下Ag對SnO2的潤濕角。而且還將觸頭材料的電導率、硬度、接觸電阻和燃弧能量試驗結果與潤濕性試驗結果進行了對比，并分析摻雜TiO2后，AgSnO2觸頭材料潤濕性的變化規律對觸頭材料性能的影響。

1 實驗

1.1 潤濕性試驗

配制原料粉末：將添加劑TiO2粉末和SnO2粉末按照表1所示的比例混合，單位為g。

表1 添加劑粉末和SnO2粉末混合比例

Tab.1 Additives and SnO2 powder mixture ratios

試驗樣品的制備過程如圖1。

圖1 試驗樣品制備流程圖

銀的熔點為961.93℃，為了保證在潤濕過程中銀處于液體狀態，試驗過程中必須保證環境溫度在銀的熔點以上。因此試驗中選擇加熱溫度為 1 050℃，保溫時間30 min。為了減輕重力對試驗結果的影響程度，選取銀塊質量為0.3 g。由于氧化銀在300℃以上時會迅速分解成銀和氧氣，所以在此次試驗中不考慮氧化銀對潤濕效果的影響。

潤濕角測量：將冷卻后的試驗樣品放置在接觸角測量儀上進行拍照，在照片上進行試驗樣品輪廓描繪，并繪制基線和左右切線，標注出銀與基片的潤濕角。潤濕角的大小能夠反映銀對該比例的氧化物潤濕性的優劣。

1.2 電導率和硬度試驗

采用粉末冶金法制備觸頭材料試樣，試樣成分及配比見表2，單位為g。將各組混合粉末置于XH三維混料機中進行充分混合后，利用普通模壓法成形，成形總壓力為38 MPa(23T)、5 min；壓坯尺寸(20 mm×5 mm)。然后在真空燒結爐中進行燒結，經500℃、90 min燒結并冷卻后，再進行復壓58 MPa(35T)、5 min、復燒(500℃、90 min)，以進一步提高其密度和導電性。

分別使用SIGMASCOPE SMP10金屬電導率測試儀和HXD-1000TM顯微硬度計對試驗材料的電導率和硬度進行測量。

表2 觸頭材料成分配比

Tab.2 Contact material composition proportion

1.3 接觸電阻和燃弧能量試驗

為了能與電接觸觸點材料測試儀的夾具相匹配，將制作好的觸頭材料片材切割成直徑4.5 mm、厚3.5 mm的簡單觸點。

使用JF04C電接觸觸點材料測試儀對試驗材料的電接觸性能進行測試，觸點接觸方式為面接觸，設定測試系統的電流為直流恒流13 A，電壓為DC24 V，接觸壓力為86 cN，每對觸頭進行25 000次電接觸，每100次電接觸后測量一次接觸電阻。分別得到25 000個燃弧能量值和250個接觸電阻值，求出各對觸頭經25 000次電接觸試驗后的接觸電阻平均值和燃弧能量平均值。

2 結果與分析

2.1 潤濕性試驗

考慮到試驗數據太多，下面只列出試樣1的潤濕角測量圖，如圖2所示；對潤濕角測量結果取平均值并歸總于表3。根據表3繪制電導率與潤濕角對比圖，如圖3所示。

圖2 試樣1的潤濕角

表3 不同試樣的觸頭材料物理性能試驗數據

Tab.3 Test values of different sample physical properties

由表3可知，未加添加劑時，Ag對SnO2的潤濕角為97.75°。當加入添加劑TiO2后，Ag對SnO2的潤濕角有了明顯的變化。由圖3中的潤濕角變化曲線可知，Ag對SnO2的潤濕角隨著TiO2含量的增加呈現出先增大后減小的變化規律，并且在試樣2時達到最低，潤濕角為61.85°，在試樣Ⅵ時達到最高，潤濕角為94.30°。根據潤濕性試驗結果可以發現AgSnO2觸頭材料的潤濕性與添加劑TiO2含量有直接的關系。

圖3 觸頭材料潤濕角與電導率對比圖

2.2 電導率

將各組試樣測量5次，測量結果取5次的平均值，并將結果歸總于表3。

當AgSnO2觸頭材料的潤濕角處于61°~71°時，電導率的變化主要保持在29.5~31.0 mS/m，而當AgSnO2觸頭材料的潤濕角處于78°~95°時，電導率的變化主要保持在25.5~28.5 mS/m。

根據圖3以及表3中的試驗數據可以看出：潤濕角較小時電導率較大，潤濕角較大時電導率相對較小。

2.3 硬度

將各組試樣測量5次，測量結果取5次的平均值，并將結果歸總于表3。根據表3繪制硬度與潤濕角對比圖，如圖4所示。

圖4 觸頭材料潤濕角與硬度對比圖

根據圖4以及表3中的試驗數據可以看出：沒有加入任何添加劑時，AgSnO2觸頭材料的硬度為68.656 HV。添加TiO2之后，AgSnO2觸頭材料的硬度比無添加劑時要大。而且潤濕角較小的觸頭材料的硬度明顯比潤濕角較大的觸頭材料的硬度要大。

2.4 接觸電阻

考慮到試驗數據太多，下面只列出試樣I觸頭材料的接觸電阻試驗結果圖，如圖5所示。

圖5 試樣I觸頭材料接觸電阻試驗結果

試樣的平均接觸電阻及接觸電阻變化范圍如表4所示；根據表3、表4繪制接觸電阻與潤濕角對比圖，如圖6所示。

圖6 觸頭材料潤濕角與平均接觸電阻對比圖

當AgSnO2觸頭材料的潤濕角處于61°~71°時，接觸電阻的變化主要保持在0.3~1.3 mΩ，25 000次電接觸的平均接觸電阻在0.7 mΩ左右。且在潤濕角為71.25°（TiO2質量分數為2.5%）時，平均接觸電阻明顯變小。

當AgSnO2觸頭材料的潤濕角為94.30°和79.50°（TiO2質量分數為3%和3.5%）時，接觸電阻主要保持在1~2 mΩ，平均接觸電阻在1.3 mΩ左右。

如果當AgSnO2觸頭材料的潤濕角為78.00°（TiO2質量分數為4%）時，接觸電阻主要在0.5~1.5 mΩ，平均接觸電阻0.85 mΩ。

根據圖6以及表4中的試驗數據可以看出：沒有加入任何添加劑時，AgSnO2觸頭材料的平均電阻為0.542 mΩ。添加TiO2之后，AgSnO2觸頭材料的平均接觸電阻比無添加劑時偏高；但是其潤濕性與接觸電阻的曲線基本吻合。且在潤濕角為71.25°時，平均接觸電阻明顯較小。

2.5 燃弧能量

考慮到試驗數據太多，下面只列出試樣I觸頭材料的燃弧能量試驗結果圖，如圖7所示。

圖7 試樣I觸頭材料燃弧能量試驗結果

試樣的平均燃弧能量及燃弧能量變化范圍如表4所示；根據表3、表4繪制燃弧能量與潤濕角對比圖，如圖8所示。

當AgSnO2觸頭材料潤濕角為61.85°和78.00°（TiO2質量分數為1%和4%）時，燃弧能量變化趨勢比較接近，數值主要保持在180~190 mJ，平均燃弧能量在185 mJ左右，是添加劑中燃弧能量相對較小的兩組。

圖8 觸頭材料潤濕角與平均燃弧能量對比圖

表4 不同試樣時觸頭材料潤濕角與電性能試驗數據

Tab.4 Test values of different sample contact material wetting angles and electrical properties

當AgSnO2觸頭材料的潤濕角為68.35°，71.25°，94.30°和79.50°（TiO2質量分數為2%，2.5%，3%和3.5%）時，燃弧能量變化趨勢比較接近，數值保持在180~195 mJ，平均燃弧能量在187 mJ左右。

從試驗數據中可以看出：潤濕角的變化對AgSnO2TiO2觸頭材料燃弧能量的影響并不明顯。

3 結論

選取TiO2作為AgSnO2觸頭材料的添加劑，選取七種不同比例的AgSnO2觸頭材料的潤濕性進行測量。然后使用粉末冶金工藝將AgSnO2TiO2觸頭材料加工成觸頭，對其進行性能試驗。根據試驗結果，分析AgSnO2觸頭材料的潤濕性與電導率、硬度、接觸電阻和燃弧能量之間的關系。

（1）根據潤濕性的試驗結果可知，未加添加劑時，AgSnO2的潤濕角為97.75°，潤濕性差。當加入添加劑TiO2，AgSnO2的潤濕角隨TiO2含量的增加呈現出先增大后減小的變化規律。

（2）將潤濕性測量結果與電導率和硬度試驗結果進行綜合對比分析，可以發現：當觸頭材料潤濕角較小時，電導率較大，硬度也較大。而當觸頭材料潤濕角較大時，電導率變小，硬度也變小。

（3）將潤濕性測量結果與接觸電阻和燃弧能量試驗結果進行綜合對比分析，可以發現：觸頭材料接觸電阻變化趨勢與潤濕性的變化規律基本吻合，當觸頭材料潤濕角較小時，接觸電阻數值的主要變化范圍較低，穩定性也更好，而當觸頭材料潤濕角較大時，接觸電阻數值的主要變化范圍更高，并且更加頻繁地出現大阻值，穩定性也較差。潤濕角的變化對觸頭材料燃弧能量的影響并不明顯。

（4）當潤濕角為71.25°（(Ag):(SnO2):(TiO2) = 88:9.5:2.5）時，AgSnO2TiO2觸頭材料的各種性能相對較優。

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（編輯：陳渝生）

Effect of wettability on properties of AgSnO2TiO2contact material

WANG Haitao, WEN Panlong, LIANG Lei, ZHU Yancai, WANG Xingwei

(Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

TiO2was selected as an additive of AgSnO2contact material. The wettability, conductivity, hardness, contact resistance, etc. of AgSnO2contact materials with seven different proportions of the additive were studied. The results show that TiO2can improve the wettability of AgSnO2contact material obviously, and the wetting angle of AgSnO2contact material increases firstly and then decreases with the increase of TiO2content. When the wetting angle is small, the conductivity and the hardness are large. The changing trend of the contact resistance is basically consistent with the change of wettability, but the change of arc energy is not obvious.

TiO2; AgSnO2contact material; wettability; conductivity; hardness; contact resistance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.019

TM501

A

1001-2028（2016）07-0080-04

2016-05-19

文攀龍

河北省自然科學基金項目資助（No. E2016202106）；天津市高等學校科技發展基金計劃項目資助（No. 20140419）；河北省高等學校科學技術研究項目資助（No. ZD2016078）

王海濤（1973－），女，河北秦皇島人，博士，教授，主要研究電器可靠性與檢測技術，電器與電接觸，E-mail: wanght@hebut.edu.cn ；

文攀龍（1990－），男，河南許昌人，研究生，研究方向為電器可靠性與檢測技術，E-mail: 838584236@qq.com。

2016-07-01 10:50:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1050.018.html